中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-033）——首次实现多模式量子中继

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工作简介

         ——首次实现多模式量子中继

由于单光子在光纤传输中的指数级损耗，量子态在光纤中传输的距离被限制在百公里量级。为了建立起全国乃至全球的量子网络，需要采用量子中继方案。其基本思路是把长程纠缠传输的任务分解为多段短距离的基本链路，在基本链路上建立量子存储器之间的可预报纠缠，然后利用纠缠交换技术把量子纠缠扩展至目标距离。

国际上已有的量子中继基本链路均基于发射型量子存储器构建，其纠缠光子是由存储器本身发射出来的。这种架构难以同时支持确定性光子发射和多模式复用存储，从根本上限制了纠缠分发的速率。理论研究表明，基于吸收型量子存储器的量子中继架构可以解决这一问题。这一架构把量子存储器和量子光源分离开来，故能同时兼容确定性光子源和多模式复用，是目前理论上通信速率最优的量子中继方案。

中国科大郭光灿院士团队李传锋、周宗权研究组长期从事基于稀土离子掺杂晶体的固态量子存储器的研究，近十年不断提升吸收型量子存储的性能指标以满足量子中继的技术需求。在本实验中，研究组基于参量下转换技术制备了两套纠缠光源，并基于独创的“三明治”结构[Phys. Rev. Lett. 108. 190505 (2012)]制备了两套固态量子存储器（图1）。每对纠缠光子中的一个光子被三明治型量子存储器所存储，而每对纠缠光子中的另一个光子被同时传输至中间站点进行贝尔态检验。一次成功的贝尔态检验会完成一次成功的纠缠交换操作，使得两个空间分离3.5米的固态量子存储器之间建立起量子纠缠，尽管这两个存储器没有发生任何直接的相互作用。量子中继基本链路的演示实验中实现了4个时间模式的复用，使得纠缠分发的速率提升了4倍，实测的纠缠保真度达到了80.4%。

图1. 基于吸收型量子存储器实现量子中继的装置示意图。

该成果实现了一种新型的量子中继架构，即基于吸收型存储器的多模式量子中继，并首次展现了多模式复用在量子中继中的加速作用。这为后续的量子中继研究开创了一个可行的方向，为实用化高速量子网络的构建打下基础。目前团队正在开发与硅基器件结合的量子存储技术，未来有望进一步实现可集成的量子网络。该成果于2021年6月2日以“Heralded entanglement distribution between two absorptive quantum memories”为题发表在Nature上，并被选为当期封面故事文章，封面故事的标题为“量子连接（quantum connections）”（图2）。

图2. 入选当期Nature的封面故事。

论文发表后，PhysicsWorld、ScienMag、Nature Asia等多家媒体发表专题报道。其中，PhysicsWorld以“New quantum repeaters could enable a scalable quantum internet（新型量子中继支持可扩展量子网络的实现）”为标题头条报道该成果。量子网络领域的国际领军学者、荷兰代尔夫特理工大学的Ronald Hanson教授接受采访时，高度评价该工作：“These results can be considered an important achievement in the specific context of building quantum repeaters, towards improved transmission of quantum communication over long distances. For solid-state ensemble-based memories, these push the state of the art significantly. （这些结果是量子中继和远程量子通信领域的一项重要成就。它显著地推动了系综固态量子存储器的技术水平。）”。Science China Information Sciences期刊发表题为“A multiplexed quantum repeater based on absorptive quantum memories”的News and Views介绍该成果。《物理》杂志发表研究快讯介绍该成果，并以“封面故事”报道了该成果（50卷第8期）。

该工作由中国科大固态量子存储研究团队完成，论文共同第一作者为博士后刘肖和研究生胡军，周宗权和李传锋为论文共同通讯作者。该项研究得到科技部、国家自然科学基金委、安徽省以及中国科学院的资助。周宗权得到中科院青年创新促进会的资助。   

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作者简介

通讯作者

周宗权，男，中国科学技术大学副教授。

1990年出生于安徽，2010年在合肥工业大学获得学士学位，2015年在中国科学技术大学获得博士学位。担任国家重点研发计划项目课题负责人、主持国家自然科学基金面上项目及青年科学基金项目等多项。周宗权基于稀土离子掺杂晶体开展固态量子存储及量子网络的实验研究。代表性成果包括：提出“无噪声光子回波”原创量子存储方案；实现首个多模式量子中继；所研制的固态量子存储器多项技术指标（保真度99.9%、多模式容量100、维度51、光存储寿命1小时）处于领先水平。作为第一作者及通讯作者发表Nature 1篇（封面故事），Nature子刊 4篇，Physical Review Letters 4篇等研究论文，在固态量子存储及量子网络领域授权中国发明专利7项及美国专利1项。

通讯作者

李传锋，男，中国科学技术大学教授。

1973年出生于山东，1990年考入中国科学技术大学读本科与研究生，1999年获得博士学位。先后入选基金委杰出青年基金项目（2013）、教育部长江学者特聘教授（2014）以及万人计划领军人才（2016）。长期从事量子光学与量子信息领域的实验研究，在搭建基于光学的量子纠缠网络及利用量子信息技术研究量子物理等方向取得系列重要成果。已发表SCI论文300余篇，包括Nature 1篇，Nature子刊20篇，Science Advances 6篇，Physical Review Letters 51篇。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03505-3

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

半导体学报公众号

微信号 : JournalOfSemicond

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